《自动化仪表》第26卷第5期 2005年5月
基于P87LPC7/2单片机的A/D转换
TheA/DConversionBasedonP87LPC7/2SingleChipComputer
盛范成
(上海亚泰仪表有限公司,上海 200081)
摘 要 介绍了一种新颖的基于P87LPC7/2单片机的A/D转换硬件结构和软件实现,该转换具有速度快、分辨率高、线性度好、成本低、实用性强等特点。
关键词 A/D转换 单片机 分辨率 汇编语言Abstract ThehardwarestructureandsoftwareimplementationofthenewA/DconversionbasedonP87LPC7/1singlechipcomputerarepresented.Theconversionfeaturesfastspeed,highresolution,goodlinearity,lowcostandstrongpracticability,etc.Keywords A/Dconversion Singlechipcomputer Resolution Assemblerlanguage
0 引言
在用于过程参数测量的仪器仪表中,大多需要进行模拟量的测量。通常的方法是将被测模拟量经A/D转换器转换后提供给单片机处理。若使用单片机芯片
P87LPC7/2就可用其自带的模拟比较器,再加上外
输入和输出选择允许比较器配置成为不同的模式。当正向输入电压大于反向输入时(可选择为由外部引脚
(可从输入或内部参考电压1128V输入),输出信号为“1”
寄存器读或输出到引脚),反之则输出为“0”。输出变化时,每个比较器均可配置产生中断。将口线功能由输出转为输入功能时(高阻抗),则禁止数字信号输出功能。
使用PTOAD寄存器,PORTO口的数字输入功能将被禁止,在PTOAD寄存器中每位均对应PORTO相应位。置位PTOAD中相应位时,则禁止此引脚作为信号数字输入。当数字输入功能被禁止时,任何指令读取该位时均为“0”。
每个比较器各对应一个控制寄存器。CMP1对应比较器1,CMP2对应比较器2。两个控制寄存器完全相同,各控制位的排列及意义如图2和表1所示。
围的积分器和放大器完成A/D转换,其特点是简单、实用、转换速度快,转换的分辨率可达14位以上。
1 P87LPC7/2简介
P87LPC7/2是Philips公司推出的一种80C51改
进型CPU系列的单片机,它增加了WDT(看门狗)、I2C总线、模拟比较器、上电复位检测、欠压复位检测等功能。I/O口驱动电流可达到20mA,运行速度为标准
80C51单片机的2倍。单片机本身的可靠性和电磁兼
容特性都很好,还继承了Philips半导体产品的低功耗特性及不可破译性。
1.1 P87LPC7/2的管脚布置(如图1所示)
位
CEnCPnCNn
图2 控制位排列图
表1 控制寄存器控制位意义
含 义
比较器使能位。软件设定后,相应比较器使能。 比较器正向输入选择。为0时选择CINnA为正向输入,为1时选择CINnB作为正向输入 比较器反向输入选择。为0时选择CMPREF为反向输入,为1时选择内部参考电压Vref为反向输入。 输出使能,为1时,比较结果输出到CMPn脚。 比较器输出,和CPU同步,允许读取。比较器禁能时(CEn=0时)清零。 比较器中断标志。当比较器输出COn状态改变时由硬件置位。如允许比较器中断且中断优先级够高时,这个位可产生中断。
图1 P87LPC7/2管脚布置图
OEnCOnCMFn
1.2 模拟比较器
P87LPC7/2有2个模拟比较器。为了获取最佳
性能和降低功耗,当引脚作为模拟功能使用的必定关闭其信号输入及输出功能。34
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连接到两个比较器的方式如图3所示。
好,这就是为何应将输入信号放大到该范围的原因。在Vc随时间变化的过程中,当Vc2的内部比较器1中断,让其定时器开始计时;当Vc<Vb时,其内部比较器2中断,其定时器停止计时。各
点的波形如图5所示。
图3 比较器输入、输出连线
2 A/D转换的硬件实现
2.1 A/D转换过程
A/D转换的原理如图4所示。需进行A/D转换图5 电压比较波形
当输入信号变化时,定时器所计的时间也随之变化,实现了电压转变成时间的变换。
为了实现这种变换,有两点必须注意:①为了保证定时器能正确计时,必须要保证Va>Vb,但Vb也必须设计在积分器输出的线性范围内,最好大于1V;②为了保证有很好的线性度,Va的电压范围保证在115V～
315V间。
2.2 A/D转换的分辨率
的输入模拟小信号Vn经运算放大器N2同向放大,放大后的信号Va加到P87LPC7/2的CIN1B/P013引脚上
(该引脚配制成P87LPC7/2的内部模拟比较器1的
同向输入)。通过对电阻R7、R6、R2、R3的阻值计算,保证当输入模拟小信号Vn最小时,Va的电压大约为
115V,Vn最大时Va的电压大约为315V。原理图中电
阻R1的作用是输入信号断路保护。
Δt/R12×Vc的电压变化公式为ΔVc=5V×C2
由于ΔVc的值为2V(315V-115V=2V),Δt决定A/D转换的分辨率,如果要求分辨率为12位,则Δt=
41096ms,所以积分器的时间常数为R12×C2=5V×
Ω,C2=104;同41096ms/2V=10124ms,可取R12=120k
图4 A/D转换原理图
理,分辨率为13位,积分器的时间常数为R12×C2=Ω,C2=224;5V×81192ms/2v=20148ms,可取R12=100k分辨率为14位,积分器的时间常数为R12×C2=5V×Ω,C2=224;对161384ms/2V=40196ms,可取R12=200k
于一般的A/D转换,14位A/D已经能满足要求了。由于被积分的信号为重复100ms的方波,完全能够让A/
D转换结束,因而A/D的采样周期就是200ms,体现了
运算放大器N1组成积分电路,增益为1/(R12×
C2),其输出电压Vc加到P87LPC7/2的CMPREF/P015
引脚上(该引脚配制成P87LPC7/2的内部模拟比较器1和2的反向输入)。被积分的信号来自
P87LPC7/2所控制的CIN1A/P014输出引脚,是重复周
期为100ms的方波。为使积分器N1输出端电压Vc得到正值,在N1的同相输入端引入一个来自正向电源的偏置电压,其值经电阻R10、R11分压后约为215V,使积分之前输出电压Vc的起始值为Vc(0)(其数值约为
5V),当P014输出为正电平期间,Vc的输出电压为Vc=-5V×t/(R12×C2)+Vc(0),当P014输出为低电平时,Vc
速度快、分辨率高、线性度好的特点。
3 A/D转换的软件实现
A/D转换的软件实现主要包括主程序的初始化处
理(初始化定时器0和1,初始化比较器1和2,初始化中断优先级等等,为A/D转换做准备);定时器0中断
(主要用来产生100ms的方波信号并开比较器1中
的最后输出电压就是Vc(0),大约为5V。
Vb是一固定的信号,加到P87LPC7的CIN2A/
断);比较器1中断(主要用于定时器1开始计时,A/D转换开始);比较器2中断(主要停止定时器1计时,A/
D转换结束)。结合A/D转换的硬件实现给出各中断
P012引脚上(该引脚配置成P87LPC7/2的内部模拟比
较器2的同向输入)。
所以在P014输出为正电平期间,N1的积分输出电压Vc为一下降的斜线,其起始电压大约为5V,结束电压为0V,在315V-115V间积分输出电压的线性度最
的程序流程框图如图6所示。主程序的初始化流程框图略。
(下转第38页)
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MAX197A芯片的时钟范围在0～2MHz,采用内部时钟
工作,选用内部基准电压。编程要求每次将两段母线的6路电压模拟输入信号依次采集一遍,此时采用等待查询方式。在交流电信号的015周期(10ms)内,进行N(N=20～50)次采样,每路得到N个电压瞬时值,并由此计算各路的电压有效值。软件充分考虑MAX197A的工作时序,需要考虑采集时间和变换时间以及各控制信号之间的时序关系。程序流程如图4所示。
图4 A/D转换程序流程图
对两段母线电压值的检测,通过定时中断方式计算各路电压有效值,每015个周期(10ms)计算一次,并根据检测、计算的数据对受控设备进行相关操作。检测处理程序流程如图5所示。
图5 检测处理程序流程图
业的多条生产线投入使用后收到了良好的效果。
参考文献
1 何立民.单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社,19992 陈志业,尹华丽,.电能质量及其治理新技术[J].电网技术,
2002(7)
3 林海雪.新国家标准《电能质量 电压波动和闪变》介绍[J].供用
4 结束语
基于单片机的智能防闪变系统对企业双回路电网进行实时监测,若电网出现闪变,可以在电网恢复正常的瞬间(011s)将因闪变而停机的设备按照工艺要求分批(1～8批)重新启动。该系统对于玻璃、陶瓷、冶金、石油、化工等大规模连续性生产企业有较高的实用价值。该系统在洛阳玻璃集团、北京首都钢铁公司等企
(上接第35页)
电,2001(12)
4 沈文琪.电压闪变及其测量方法[J].电力电容器,2001(1)
收稿日期:2004-11-22。
第一作者张松兰,女,1962年生,1984年毕业于武汉建筑材料工业学院,获学士学位,讲师;主要从事电力电子技术、工业自动化方面的研究和教学工作。
4 结束语
该A/D转换的方法运用在我公司生产的温控仪表系列产品上,经过几个月在点焊机、包装机等设备上的试用,完全符合客户的显示精度和控制精度要求,目前已经形成批量生产。
参考文献
1 周航慈,等.PHILIPS51LPC系列单片机原理及应用设计.北京航空
航天大学出版社,2001
2 杨振江.A/D及D/A转换器接口技术与实用线路.西安电子科技
大学出版社,1996
收稿日期:2004-08-13。
作者盛范成,男,1973年生,1996年毕业于西北纺织工学院自动化系,工程师;主要从事智能仪表和自动化控制装置的设计。
图6 各中断的程序流程框图
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